[論文レビュー] The structure-dynamics feedback mechanism governs the glassy dynamics in epithelial monolayers

Satyam Pandey, Soumitra Kolya+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2023

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、生物学的複雑性にもかかわらず、コンフラuentな上皮単層膜がモード結合理論（MCT）と整合するほぼ理想的なガラス的動的挙動を示すことを示している。均衡状態のバーテックスモデルをシミュレートし、静的構造因子をMCTの入力として用いることで、緩和時間、時間-温度スーパーインポジション、および準アーレニウス的挙動において驚くべき一致が得られた。これにより、これらの系はMCTの検証に向けた稀な、不規則性のない候補となる。

ABSTRACT

The glassy dynamics in confluent epithelial monolayers is crucial for several biological processes, such as wound healing, embryogenesis, cancer progression, etc. Several experiments have indicated that, unlike particulate systems, the glassy dynamics in these systems correlates with the static properties and shows a readily-found sub-Arrhenius relaxation. However, whether the statics-dynamics correlation is only qualitative or can provide quantitative predictions and what leads to the sub-Arrhenius relaxation remains unclear. We apply a particular analytical theory of glassy dynamics, the mode-coupling theory (MCT) that predicts dynamics using static properties alone as input, to the confluent systems. We demonstrate the remarkable applicability of MCT in simulations of the Vertex model and experiments on Madin-Darby Canine Kidney cells and show the quantitative nature of the structure-dynamics correlation in these systems. Our results elucidate that the structure-dynamics feedback mechanism of MCT, and not the barrier crossing mechanism, dominates the glassy dynamics in these systems where the relaxation time diverges as a power law with a universal exponent of $3/2$. This slower-than-exponential divergence naturally explains the sub-Arrhenius relaxation dynamics in these systems. The quantitative nature of the structure-dynamics correlation also suggests the possibility of describing various complex biological processes, such as cell division and apoptosis, via the static properties of the systems, such as cell shape or shape variability.

研究の動機と目的

• コンフラuentな上皮単層膜が、異常なガラス的動的挙動を示すことが知られているが、それがモード結合理論（MCT）で記述可能かどうかを調査すること。
• MCTが要求するように、静的構造因子のみでこれらの系の動的挙動を予測可能かどうかを特定すること。
• シミュレーションで観察された準アーレニウス的緩和が、MCTの予測と一致するかどうかを評価すること。
• クエンチドディスオーダーが存在しない状況でのMCTの適用可能性を評価し、理論的モデリングに最適な条件を同定すること。

提案手法

• 固定された面積および周囲長モジュラスを用いて、均衡状態の上皮単層膜をバーテックスモデルでシミュレートした。
• 数値的に径方向分布関数を計算し、離散フーリエ変換を用いて静的構造因子を導出した。
• 計算された構造因子をモード結合理論（MCT）の入力として用い、動的相関関数を予測した。
• 波数グリッド上で200点、Δk = 0.2として、離散リーマン和を用いてMCT方程式を数値的に解いた。
• 直接シミュレーションとの比較を通じて、MCTが予測する緩和時間および中間散乱関数を評価した。
• MCTとシミュレーションの緩和時間を一致させるために、波数kと振幅aを調整して検証を行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 静的構造的データのみを用いて、モード結合理論（MCT）がコンフラuentな上皮単層膜のガラス的動的挙動を正確に予測できるか？
• RQ2 シミュレーションで観察された準アーレニウス的緩和挙動は、MCTの予測と一致するか？
• RQ3 MCTにおける非エルゴドリック性転移は、この生物学的系において観測可能で物理的に意味のあるものか？
• RQ4 RFOT理論が準アーレニウス領域で失敗する理由は何か？これは動的挙動の性質にどのような意味を持つのか？
• RQ5 コンフラuentな上皮単層膜は、ほぼ理想的で不規則性のない系として、MCTの検証に用いるのに適しているか？

主な発見

• 準アーレニウス領域における緩和時間は、一定の指数と係数のべき乗則に従い、MCTの予測と一致する。
• 中間散乱関数は時間-温度スーパーインポジションを示し、MCT挙動の特徴的兆候である。
• MCTはバーテックスモデルのシミュレーションの動的挙動を、誤った非エルゴドリック性転移を除き正確に再現した。
• 大$ p_0 $領域において、系は周囲長の目標値$ p_0 $に依存しないことが示され、このパラメータに対する動的挙動の頑健性が裏付けられた。
• 準アーレニウス的緩和はRFOT理論と整合せず、Kauzmann温度$ T_K $が負値を示すため、活性化に基づく枠組みが失敗していることが示された。
• コンフラuentな上皮単層膜は、クエンチドディスオーダーを有さない均衡系として、MCTの条件を満たす最初に知られているほぼ理想的な系である。